CN113959471A

CN113959471A - 一种少模光纤光栅多参量传感装置

Info

Publication number: CN113959471A
Application number: CN202111195076.0A
Authority: CN
Inventors: 苑立波; 王洪业
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2021-10-12
Filing date: 2021-10-12
Publication date: 2022-01-21

Abstract

本发明提供的是一种少模光纤光栅多参量传感装置。它由光源、入射光纤、耦合器、光子灯笼A、少模光纤、长周期光纤光栅、光子灯笼B和多通道探测器组成。入射光纤一端与光源相连，另一端连接耦合器，耦合器按一定分光比将光入射至光子灯笼A的多路端尾纤，光子灯笼A的单路端尾纤与少模光纤相连。少模光纤中不同模式的光被激发并沿少模光纤传输，经光子灯笼B后，各模式转换成光子灯笼B多路端尾纤的基模输出，最后通过多通道探测器进行分析。由于不同的模式对外界变化量具有不同的灵敏度，因此通多对多个谐振峰同时测量可以实现多参量传感。本发明具有结构简单、灵敏度高及可同时探测多种环境参量的特点。可广泛用于光纤传感领域。

Description

一种少模光纤光栅多参量传感装置

技术领域

本发明涉及的是一种少模光纤光栅多参量传感装置，属于光纤传感领域。

背景技术

光纤光栅是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的无源滤波器件。通常按照折射率调制周期的大小将光栅分为光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅。对于光纤布拉格光栅，光纤内反向传输的纤芯模式之间能够在满足相位匹配条件的时候发生耦合。而对于长周期光纤光栅，光纤内同向传输的纤芯模式和各阶包层模式之间能够在满足相位匹配条件的时候发生耦合。

在光纤布拉格光栅和长周期光纤光栅的反射谱和透射谱中，有一个功率最大或者损耗最大的峰值，这个峰被称为谐振峰，谐振峰对应的波长称为谐振波长。这个谐振峰对温度、应力、扭转、弯曲等传感量比较敏感，谐振峰的位置会因这些传感量的变化而变化，因而，这一特性可以被广泛应用于光纤传感领域。而长周期光纤光栅对温度、应力等传感量的灵敏度要优于光纤布拉格光栅，且其具有对环境折射率敏感这一特性，因此在近二十多年来，基于长周期光纤光栅的传感器得到了大量的研究。

传统的单模光纤长周期光栅因其纤芯只能传输一个模式，在传感时会存在不同参量间交叉敏感的问题。为解决上述问题，申请号为2010105804824的专利中提出了将两种长周期光纤光栅级联的方式，其中为一个只对温度变化敏感的长周期光纤光栅，另一个为对温度和应变变化均敏感的长周期光纤光栅，通过对两个光栅的解调可以实现对温度和应变的同时测量。申请号为2009100264032的专利中提出将将两个光纤光栅封装在特殊结构中可实现应变和温度的同时测量。但这种级联型的传感器成多数只能同时测量两种环境参量，若想测量多种环境参量则需要增加传感器的数量，导致成本较高，体积较大，不利于集成。

少模光纤的纤芯能够同时支持几个纤芯模式的传输，避免了多模光纤模式间串扰大的色散损耗问题的同时，又解决了单模光纤信道拥挤的问题。在王秋里的论文《少模LPFG的写制及其温度传感特性的研究》中提出了一种单模-少模-单模加长周期光纤光栅的结构，其可对多种环境参量进行测量。但因单模和少模的熔接所使用的方式均为正芯对接，就导致只能激发少模光纤中LP01和LP02两个模式。因此只有两个谐振峰，在同时对两个以上环境参量测量时仍具有交叉串扰的问题，且在两个传输模式耦合回单模光纤时会产生干涉，导致透射谱过于混乱，增加解调难度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、灵敏度高、低损耗且可同时探测多种环境参量的少模光纤光栅多参量传感装置。

本发明的目的是这样实现的：

如图1所示，该装置由光源1、入射光纤2、耦合器3、光子灯笼A4、少模光纤5、长周期光纤光栅6、光子灯笼B7和多通道探测器8组成。入射光纤2一端与光源1相连，另一端连接耦合器3，耦合器按一定分光比将光耦合至光子灯笼A4的多路端尾纤，光子灯笼A4的单路端尾纤与少模光纤5相连，经光子灯笼B7后，各模式转换成少模光纤B7多路端尾纤的基模输出，最后通过多通道探测器8进行分析。传输光经光子灯笼A4多路端尾纤入射时，会激发少模光纤中不同的纤芯传输模式，传输光经长周期光纤光栅6后，满足相位匹配条件的光会发生耦合，因此不同的纤芯传输模式会与不同的包层模式发生耦合，并在特定波长处产生谐振峰，而其余波长的光将继续向前传输，由于不同的模式对外界环境的变化具有不同的灵敏度，因此通过对多个传输模式的谐振峰同时测量可以实现多参量传感。

该装置工作过程大致如下：

当光源发出的光经入射光纤传输至耦合器后，入射光按照一定的分光比耦合进光子灯笼A的多路端尾纤。光子灯笼A多路端尾纤中每一个尾纤都对应激发少模光纤中的一个模式，即每一个尾纤都对应一个传感通道。经光子灯笼激发出的模式沿少模光纤继续传输，当经过长周期光纤光栅后，满足相位匹配条件的光被反射。耦合波长为：

上式中，λ_D为长周期光纤光栅透射波长，

和

为分别为纤芯和包层模式的有效折射率，Λ为光栅的周期。从式中可以看出，当光栅周期固定时，谐振波长受模式有效折射率的影响，少模光纤的纤芯内可以传输多个模式，且每个模式具有不同的有效折射率，经过长周期光纤光栅后，又分别与不同的包层模耦合。

透射光继续沿少模光纤传输，当传输至光子灯笼B时，传输的模式通过光子灯笼B以较低的损耗转换成尾纤的基模输出。输出光被多通道探测器接收。根据少模光纤相位匹配关系，可知等式两边都是温度、应变、环境折射率等参量的函数，因而对等式两边对温度、应变、环境折射率取微分，整理可得谐振波长对各参量的波长漂移灵敏度。

温度的响应灵敏度为：

上式中，λ_D是谐振波长，

和

为分别为纤芯模式和包层模式的有效折射率，Λ为光栅的周期，T是温度变化。假设光纤的热膨胀系数是α，温度变化时，光栅周期由于热膨胀效应导致的变化为dΛ/dT＝α·Λ；假设纤芯和包层的热光系数分别是ξ_co和ξ_cl，温度变化时基模和包层模有效折射率由于热光效应导致的变化分别是

考虑到色散影响，式(2)可写为：

其中，γ^cl和Γ_temp分别是光纤波导色散因子以及温度灵敏度因子，所以长周期光纤光栅谐振波长温度灵敏度决定于γ^cl和Γ_temp这两参数。γ^cl与光栅周期Λ及包层模阶次有关，Γ_temp与纤芯和包层的热光系数有关。

轴向应变的响应灵敏度为：

考虑到光纤色散问题，上式可写为：

其中，γ^cl和Γ_strain分别是光纤波导色散因子以及应变灵敏度因子，η_co和η_cl分别是纤芯和包层的弹光系数，所以长周期光纤光栅谐振波长应变灵敏度主要决定于γ^cl和Γ_strain这两参数。γ^cl与光栅周期Λ及包层模阶次有关，Γ_stain与纤芯和包层的弹光系数有关。

环境折射率的响应灵敏度为：

其中，γ^cl和Γ_sur分别是光纤波导色散因子以及折射率灵敏度因子，r_cl是包层的半径，n_cl和n_sur分别是包层与外界环境的折射率。光栅谐振峰波长和幅值随折射率变化大小与方向决定于γ^cl和Γ_sur这两参数，折射率灵敏度与包层模式的阶次紧密相关。当外界折射率小于包层折射率时，谐振波长向短波方向漂移；当外界折射率大于包层折射率时，谐振波长向长波方向漂；当外界折射率接近包层折射率时，包层模不再是离散导模而是变成泄露模，从而使模式耦合强度变弱，模式阶次越高耦合越弱。

本发明采用少模光纤长周期光栅作为传感区，少模光纤的纤芯传输模式可以作为不同的传感通道，每一个纤芯模式都可与包层模发生耦合，少模光纤的透射谱经过光子灯笼B后转换成每个模式单独的透射谱，不同模式对应的谐振在受到外界参量影响时具有不同的灵敏度，通过矩阵算法即可对信号进行解调，实现多参量传感。

为了便于将该滤波器集成到现有测量系统中，本发明所述的入射光纤为单模光纤，所使用的光源为宽带光源。所使用的多通道探测器为光谱仪或光栅解调仪。

本发明所述的耦合器为熔融拉锥制成。所采用的光子灯笼为模式选择型光子灯笼，多路端每一个尾纤入射都可激发少模光纤一个特定模式。为了减小整个装置的损耗，本发明所述的光子灯笼A和B的多路端尾纤均为单模光纤，仅支持一种模式传输；单路端尾纤为少模光纤，可支持多种模式；光子灯笼A和B的单路尾纤与所使用的少模光纤相匹配，即纤芯直径、包层直径和所支持传输的模式数量相一致。

本发明中，为减少各模式间的相互影响，所用的少模光纤为弱模间耦合少模光纤，此类光纤也可称为低模间串扰少模光纤，这种光纤特点是纤芯中的每一个模式都可独立传输且不受其他模式的影响。

本发明中，所述的长周期光纤光栅可以由紫外曝光、二氧化碳激光刻写、电弧放电、飞秒刻写、腐蚀刻槽、离子束聚焦、机械微弯等方法制备。

本发明的有益效果在于：

本发明为全光纤结构，连接损耗小，便于与现有传感系统集成；使用少模光纤作为传感通道，可以同时实现多种参量的测量；仅采用一段长周期光纤光栅作为传感单元，有利于实现传感系统的小型化，集成化；且本发明具有结构简单、可控性强及灵敏度高的优点。

附图说明

图1是少模光纤光栅多参量传感装置结构示意图。

图2是6模光纤所能传输的模式。

图3是LP₀₁模式入射时的透射谱。

图4是LP₁₁模式入射时的透射谱。

图5是LP₂₁模式入射时的光谱透射谱

图中：1为光源；2为入射光纤；3为耦合器；4为光子灯笼A；5为少模光纤；6为长周期光纤光栅；7为光子灯笼B；8为多通道探测器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来进一步阐述本发明，但本发明的保护范围并不限于此。

以六模光纤为例，进行温度、应变、折射率三个参量的传感测量。在本实施例中少模光纤5所能传输的模式如图2所示，包括LP₀₁，LP₁₁，LP₂₁，LP₀₂，LP₃₁，LP₁₂六个模式，少模光纤纤芯直径为25.6μm，包层直径为125μm。图1给出了少模光纤光栅多参量传感装置示意图。装置是由光源1、入射光纤2、耦合器3、光子灯笼A4、少模光纤5、长周期光纤光栅6、光子灯笼B7和多通道探测器8依次连接而成，本实施例中所使用的探测装置为多通道光栅解调仪。因为使用的少模光纤为六模光纤，所以在该实施例中所使用的光子灯笼多路端具有6个尾纤。

耦合器采用熔融拉锥的方式制成。本实施例中所使用的光子灯笼A和光子灯笼B为相同的6模光子灯笼。光子灯笼为本实验室研制的异质芯光子灯笼，通过外加套管、组棒、拉锥的方式制成。光子灯笼单路端为少模输出尾纤，其尾纤结构与所用少模光纤相同；多路端包含6个异质的单模光纤，每个单模光纤都对应激发少模光纤中的一个传输模式。

本实施例中的长周期光纤光栅使用紫外曝光法制成，光栅刻写前先在高压环境中对光纤载氢，之后使用振幅掩模板进行光栅刻写，光栅周期为306微米。制备完成后选定其中三个传输模式作为传感通道，本专利选择LP₀₁模式、LP₁₁模式和LP₂₁模式三个传输模式作为传感通道，三个模式的透射谱分别如图3、图4、图5所示。通过计算可以知道，在周期为306微米时，LP₀₁模包层中的LP₀₅模发生耦合，LP₁₁模包层中的LP₁₆模发生耦合，LP₂₁模包层中的LP₂₇模发生耦合。每一个模式对外界环境的变化都有其独特的反应。

在对传感量测量之前需要对其进行参数标定,具体标定过程如下:

温度T标定：将所述长周期光纤光栅放入一温控箱内，其余部分置于温控箱外。所述光源发出宽带光入射到长周期光纤光栅上，多通道光栅解调仪接收三路探测信号。当温度没有变化时，所述长周期光纤光栅的透射谱均没有变化；而当温度发生变化时，透射谱的谐振峰会发生漂移。温控箱温度从25℃到85℃逐渐升温，利用多通道光栅解调仪检测三个谐振波长λ₀₁、λ₁₁和λ₂₁的变化量，并通过得到的数据解算出三个谐振波长关于温度的灵敏度系数K_01，T、K_11，T和K_21，T。

轴向应变ε标定：将所述长周期光纤光栅两端固定在两个一维调节架上，通过拉伸使少模光纤产生应变。所述光源发出宽带光入射到长周期光纤光栅上，多通道光栅解调仪接收三路探测信号。当光纤应变没有变化时，所述长周期光纤光栅的透射谱均不会发生漂移；而当光纤产生应变时，透射谱的谐振峰会发生漂移。轴向应变从0到3000με逐渐提高，利用多通道光栅解调仪检测三个谐振波长λ₀₁、λ₁₁和λ₂₁的变化量，并通过得到的数据解算出三个谐振波长关于应变的灵敏度系数K_01，ε、K_11，ε和K_21，ε。

环境折射率n_sur标定：将所述长周期光纤光栅置于装满已知折射率液体的容器内，其余部分置于容器外，且容器内溶液的折射率可以进行精确调整。所述光源发出宽带光入射到长周期光纤光栅上，多通道光栅解调仪接收三路探测信号。当所述容器内溶液折射率发生变化时，其透射谱的谐振峰会发生漂移。液体折射率从1.34逐渐增加到1.47，利用多通道光栅解调仪检测三个谐振波长λ₀₁、λ₁₁和λ₂₁的变化量，并通过得到的数据解算出三个谐振波长关于折射率变化的漂移曲线，选定线性变化的部分作为传感器的探测范围，将三个谐振峰的线性灵敏度系数记为K_01，nsur、K_11，nsur和K_21，nsur。

在测量时，结合温度、轴向应变、环境折射率变化量ΔT、Δε、Δn及三个模式谐振峰波长的变化量Δλ₀₁、Δλ₁₁和Δλ₂₁，可以得到灵敏度矩阵：

通过逆推矩阵可得出温度、轴向应变及环境折射率的变化量ΔT、Δε、Δn与所选定的三个传输模式透射峰谐振波长变化量Δλ₀₁、Δλ₁₁和Δλ₂₁之间的关系，用于实现三参量传感测量：

以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种少模光纤光栅多参量传感装置，其特征是：它由光源、入射光纤、耦合器、光子灯笼A、少模光纤、长周期光纤光栅、光子灯笼B和多通道探测器组成；入射光纤一端与光源相连，另一端连接耦合器，耦合器按一定分光比将光耦合至光子灯笼A的多路端尾纤，光子灯笼A的单路端尾纤与少模光纤相连，经光子灯笼B后，各模式转换成少模光纤B多路端尾纤的基模输出，最后通过多通道探测器进行分析；传输光经光子灯笼A多路端尾纤入射时，会激发少模光纤中不同的纤芯传输模式，传输光经长周期光纤光栅后，满足相位匹配条件的光会发生耦合，因此不同的纤芯传输模式会与不同的包层模式发生耦合，并在特定波长处产生谐振峰，而其余波长的光将继续向前传输，由于不同的模式对外界环境的变化具有不同的灵敏度，因此通过对多个传输模式的谐振峰同时测量可以实现多参量传感。

2.根据权利要求1所述的一种少模光纤光栅多参量传感装置，其特征是：所述的光源为宽带光源。

3.根据权利要求1所述的一种少模光纤光栅多参量传感装置，其特征是：所述的入射光纤为单模光纤。

4.根据权利要求1所述的一种少模光纤光栅多参量传感装置，其特征是：所述的光子灯笼为模式选择型光子灯笼，多路端每一个尾纤入射都可激发少模光纤一个特定模式。

5.根据权利要求1所述的一种少模光纤光栅多参量传感装置，其特征是：所述的光子灯笼A和B的多路端尾纤均为单模光纤，仅支持一种模式传输；单路端尾纤为少模光纤，可支持多种模式；光子灯笼A和B的单路端尾纤与所使用的少模光纤相匹配，即纤芯直径、包层直径和所支持传输的模式数量相一致。

6.根据权利要求1所述的一种少模光纤光栅多参量传感装置，其特征是：所述的少模光纤为弱模间耦合少模光纤，纤芯内的每一模式都可单独传输并且不受其他模式影响。

7.根据权利要求1所述的一种少模光纤光栅多参量传感装置，其特征是：所述的多通道探测器为光谱仪或光栅解调仪。